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雅安职业技术学院机电与信息工程系雅安职业技术学院机电与信息工程系第四章第四章 半半导体器件体器件第一节半导体材料及PN结 导体导体半导体半导体 绝缘体绝缘体 雅安职业技术学院机电与信息工程系雅安职业技术学院机电与信息工程系一、本征半导体纯净的、晶体结构完整的半导体称为本征半导体，常温下其电阻率很高，是电的不良导体。当温度升高或受到外界其他因素影响时，少数价电子获得能量从而挣脱共价键的束缚，成为自由电子，在原来的共价键的相应位置留下一个空位，称之为“空穴”。A处为空穴，B处为自由电子。因为自由电子与空穴是成对出现的，所以称为电子空穴对，此时整个原子对外仍然呈现电中性，这种现象就称为本征激发。可见，在本征半导体中存在两种载流子：带负电荷的电子载流子和带正电荷的空穴载流子。雅安职业技术学院机电与信息工程系雅安职业技术学院机电与信息工程系二、杂质半导体(一)N型半导体在纯净的硅晶体中掺入五价元素（如磷），使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了N型半导体。N型半导体也称为电子型半导体。(二)P型半导体 纯净的硅晶体中掺入三价元素（如硼），使之取代晶格中硅原子的位子，就形成P型半导体。P型半导体也称为空穴型半导体。雅安职业技术学院机电与信息工程系雅安职业技术学院机电与信息工程系三、PN结（一）PN结的形成在这个区域内，多数载流子或已扩散到对方，或被对方扩散过来的多数载流子(到了本区域后即成为少数载流子了)复合掉了，即多数载流子被消耗尽了，所以又称此区域为耗尽层，它的电阻率很高，为高电阻区。雅安职业技术学院机电与信息工程系雅安职业技术学院机电与信息工程系P区一侧呈现负电荷，N区一侧呈现正电荷，因此空间电荷区出现了方向由N区指向P区的电场，由于这个电场是载流子扩散运动形成的，而不是外加电压形成的，故称为内电场雅安职业技术学院机电与信息工程系雅安职业技术学院机电与信息工程系(二)PN结的单向导电性PN结在未加外加电压时，扩散运动与漂移运动处于动态平衡，通过PN结的电流为零。外加正向电压（正偏）外加正向电压（正偏）外加反向电压（反偏）外加反向电压（反偏）PN结的击穿特性结的击穿特性 雅安职业技术学院机电与信息工程系雅安职业技术学院机电与信息工程系第二节半导体二极管一、半导体二极管的结构半导体二极管简称“二极管”。它是由一个PN结组成的器件，具有单向导电的性能，因此，常用它作为整流或检波的器件。二极管有两个电极，接P型半导体的引线叫阳极，接N型半导体的引线叫阴极二极管在电路中常用“VD”加数字表示，如：VD5表示编号为5的二极管。雅安职业技术学院机电与信息工程系雅安职业技术学院机电与信息工程系二极管按材料分，有锗二极管、硅二极管和砷化镓二极管，前两种应用最广泛。按用途分有整流二极管、检波二极管、开关二极管、稳压二极管、变容二极管、发光二极管等。按结构不同分为点接触型二极管和面接触型二极管雅安职业技术学院机电与信息工程系雅安职业技术学院机电与信息工程系二、二极管的特性和主要参数（一）二极管的伏安特性雅安职业技术学院机电与信息工程系雅安职业技术学院机电与信息工程系（二）二极管参数一般的检波、整流二极管主要有以下四个参数：最大整流电流最大整流电流 IEM最大反向电压最大反向电压 最大反向电流最大反向电流 最高工作频率最高工作频率 URMIRMfM雅安职业技术学院机电与信息工程系雅安职业技术学院机电与信息工程系三、二极管的基本应用（一）整流整流是利用二极管的单向导电性，将交流电变为单向脉动直流电的过程。最简单的整流电路如图（a）如图（b）所示。雅安职业技术学院机电与信息工程系雅安职业技术学院机电与信息工程系（二）限幅限幅电路是用来限制输入信号电压范围的电路。它利用二极管的单向导电性和导通后两端电压基本不变的特点，在电路中作为限幅元件，从而把信号幅度限制在一定范围内，最简单的限幅电路如图（a）所示。雅安职业技术学院机电与信息工程系雅安职业技术学院机电与信息工程系四、几种常见的二极管最常见、最普通的二极管是整流管、检波管、开关管和发光二极管。（一）整流二极管整流二极管是面接触型的，多采用硅材料构成。整流二极管有金属封装和塑料封装两种。（二）检波二极管检波的作用是把调制在高频电磁波上的低频信号检取出来。检波效率=（直流输出电压/输入信号电压峰值）100%雅安职业技术学院机电与信息工程系雅安职业技术学院机电与信息工程系（三）开关二极管开关二极管有开关速度快、体积小、寿命长、可靠性高等优点，广泛应用于自动控制电路中。开关二极管多以玻璃及陶瓷外形封装，以减小管壳电容。（四）发光二极管半导体发光二极管是用PN结把电能转换成光能的一种器件，它可用作光电传感器、测试装置、遥测遥控设备等。按其发光波长，可分为激光二极管，红外发光二极管与可见光发光二极管。可见光发光常简称发光二极管。小电流发光二极管体积小，根据需要，外形可以做成圆形、方形、圆柱形、矩阵形等多种，发光二极管在电路中的符号如图雅安职业技术学院机电与信息工程系雅安职业技术学院机电与信息工程系第三节半导体三极管一、半导体三极管的基本结构和类型半导体三极管的结构示意图如图所示。它有两种类型：NPN型和PNP型。包含三层半导体：基区(相连电极称为基极，用B或b表示);发射区(相连电极称为发射极，用E或e表示);集电区(相连电极称为集电极，用C或c表示)。E-B间的PN结称为发射结，C-B间的PN结称为集电结。雅安职业技术学院机电与信息工程系雅安职业技术学院机电与信息工程系二、双极型半导体三极管（一）双极型半导体三极管的结构双极型半导体三极管有两种类型：NPN型和PNP型。中间部分称为基区，相连电极称为基极，用B或b表示；一侧称为发射区，相连电极称为发射极，用E或e表示；另一侧称为集电区和集电极，用C或c表示。E-B间的PN结称为发射结(Je)，C-B间的PN结称为集电结(Jc)。雅安职业技术学院机电与信息工程系雅安职业技术学院机电与信息工程系（二）双极型半导体三极管的电流分配与控制双极型半导体三极管在工作时一定要加上适当的直流偏置电压。若在放大工作状态：发射结加正向电压，集电结加反向电压。现以NPN型三极管的放大状态为例，来说明三极管内部的电流关系，见图由以上分析可知，发射区掺杂浓度高，基区很薄，是保证三极管能够实现电流放大的关键。若两个PN结对接，相当基区很厚，所以没有电流放大作用，基区从厚变薄，两个PN结演变为三极管。雅安职业技术学院机电与信息工程系雅安职业技术学院机电与信息工程系（三）双极型半导体三极管的电流关系1.三种组态双极型三极管有三个电极，其中两个可以作为输入，两个可以作为输出，这样必然有一个电极是公共电极。三种接法也称三种组态，见图共发射极接法：发射极作为公共电极，用CE表示;共集电极接法：集电极作为公共电极，用CC表示;共基极接法：基极作为公共电极，用CB表示。雅安职业技术学院机电与信息工程系雅安职业技术学院机电与信息工程系2.三极管的电流放大系数定义：雅安职业技术学院机电与信息工程系雅安职业技术学院机电与信息工程系三、双极型半导体三极管的特性曲线共发射极接法三极管的特性曲线为：B表示输入电极，C表示输出电极，E表示公共电极。所以这两条曲线是共发射极接法的特性曲线。雅安职业技术学院机电与信息工程系雅安职业技术学院机电与信息工程系共发射极接法的供电电路和电压-电流关系如图雅安职业技术学院机电与信息工程系雅安职业技术学院机电与信息工程系（一）输入特性曲线共发射极接法的输入特性曲线见图其中的那一条相当于发射结的正向特性曲线。输入特性曲线的分区为死区非线性区线性区雅安职业技术学院机电与信息工程系雅安职业技术学院机电与信息工程系（二）输出特性曲线共发射极接法的输出特性曲线如图它是以为参变量的一族特性曲线。输出特性曲线可以分为三个区域：饱和区截止区放大区雅安职业技术学院机电与信息工程系雅安职业技术学院机电与信息工程系四、半导体三极管的参数半导体三极管的参数分为直流参数、交流参数和极限参数三大类。（一）直流参数1.直流电流放大系数：共基极直流电流放大系数：雅安职业技术学院机电与信息工程系雅安职业技术学院机电与信息工程系2.极间反向电流集电极-基极间反向饱和电流集电极-发射极间的反向饱和电流雅安职业技术学院机电与信息工程系雅安职业技术学院机电与信息工程系（二）交流参数1.交流电流放大系数共发射极交流电流放大系数:共基极交流电流放大系数：雅安职业技术学院机电与信息工程系雅安职业技术学院机电与信息工程系2.特征频率雅安职业技术学院机电与信息工程系雅安职业技术学院机电与信息工程系（三）极限参数雅安职业技术学院机电与信息工程系雅安职业技术学院机电与信息工程系五、半导体三极管的型号国家标准对半导体三极管的命名如下：第二位：A表示锗PNP管、B表示锗NPN管、C表示硅PNP管、D表示硅NPN管。第三位：X表示低频小功率管、D表示低频大功率管、G表示高频小功率管、A表示高频大功率管、K表示开关管。雅安职业技术学院机电与信息工程系雅安职业技术学院机电与信息工程系第四节场效应管一、结型场效应管（一）JFET的结构和工作原理在N型半导体材料的两侧分别制作两个高浓度P区，形成两个PN结。雅安职业技术学院机电与信息工程系雅安职业技术学院机电与信息工程系两个PN结构成的空间电荷区，大多是不能移动的正负离子，可移动的载流子很少，故又称作耗尽区。根据PN结理论，耗尽区的宽窄除受半导体中杂质浓度的影响外，还受反向偏置电压大小的控制。雅安职业技术学院机电与信息工程系雅安职业技术学院机电与信息工程系（二）JFET的特性曲线结型场效应管特性曲线包括转移特性曲线和输出特性曲线。1转移特性曲线雅安职业技术学院机电与信息工程系雅安职业技术学院机电与信息工程系2.输出特性曲线图是JFET的一族输出特性曲线，根据曲线分布特点将其划分为四个区可变电阻区（也称非饱和区）恒流区（也称线性放大区、饱和区、有源区）夹断区（也称截止区）击穿区雅安职业技术学院机电与信息工程系雅安职业技术学院机电与信息工程系二、绝缘栅型场效应管（一）增强型MOS场效应管1.结构和标识符号N沟道增强型MOS场效应管结构示意图雅安职业技术学院机电与信息工程系雅安职业技术学院机电与信息工程系2.N沟道增强型MOS管的工作原理按图所示连接电路，漏源之间加正向电压vds，源极与衬底相连作为参考电位。雅安职业技术学院机电与信息工程系雅安职业技术学院机电与信息工程系3.转移特性将描述输出电流与输出电压之间关系的特性曲线称为转移特性曲线雅安职业技术学院机电与信息工程系雅安职业技术学院机电与信息工程系4.输出特性雅安职业技术学院机电与信息工程系雅安职业技术学院机电与信息工程系（二）耗尽型MOS场效应管雅安职业技术学院机电与信息工程系雅安职业技术学院机电与信息工程系（三）场效应管的主要参数1.开启电压开启电压 2.夹断电压夹断电压 3.饱和漏电流饱和漏电流 4.低频跨导低频跨导 5.最大耗散功率最大耗散功率 雅安职业技术学院机电与信息工程系雅安职业技术学院机电与信息工程系三、FET与BJT的比较1.相似之处2.导电机制与稳定性的差异3.控制方式与直流输入电阻的不同 4.单极电压增益及噪声不同5.其他6.工作在线性放大区的偏置方式不同雅安职业技术学院机电与信息工程系雅安职业技术学院机电与信息工程系雅安职业技术学院机电与信息工程系雅安职业技术学院机电与信息工程系第五节晶闸管一、晶闸管的结构及工作原理（一）晶闸管的结构晶闸管外部有三个电极，内部是由PNPN四层半导体构成，最外层的P层和N层分别引出阳极A和阴极K，中间引出控制极G，内部有三个PN结。雅安职业技术学院机电与信息工程系雅安职业技术学院机电与信息工程系（二）工作原理晶闸管按图（a）构成工作电路，图（b）表示其工作原理。晶闸管可以存在以下几种工作方式。1晶闸管的正向阻断2晶闸管的导通3控制极的控制作用4晶闸管导通后的关断雅安职业技术学院机电与信息工程系雅安职业技术学院机电与信息工程系二、晶闸管的工作特性1晶闸管的导通特点1晶闸管的导通特点晶闸管的导通特点 晶闸管具有单向导电性，晶闸管的导通受门极的控制。2晶闸管导通的条件晶闸管导通的条件 阳极与阴极之间加正向电压，门极与阴极之间加正向电压。3导通后的晶闸管关断的条件导通后的晶闸管关断的条件 以下条件满足一个就可使导通的晶闸管关断。（1）降低阳极与阴极之间的电压，使通过晶闸管的电流小于维持电流；（2）阳极与阴极之间的电压减小为零；（3）阳极与阴极之间加反向电压。雅安职业技术学院机电与信息工程系雅安职业技术学院机电与信息工程系（二）晶闸管的主要参数雅安职业技术学院机电与信息工程系雅安职业技术学院机电与信息工程系三、晶闸管的选择和保护（一）晶闸管的选择1.电压等级的选择2.电流等级的选择雅安职业技术学院机电与信息工程系雅安职业技术学院机电与信息工程系（二）晶闸管的保护普通晶闸管承受过流和过电压的能力很差，在使用中，除了要使它的工作条件留有充分的余地外，还要采取一定的措施。1.过电压保护阻容吸收元件在电路中的接入方法雅安职业技术学院机电与信息工程系雅安职业技术学院机电与信息工程系2.过电流保护快速熔断器保护电路雅安职业技术学院机电与信息工程系雅安职业技术学院机电与信息工程系四、晶闸管的应用1可调硅整流电路可调硅整流电路2晶闸管交流调压晶闸管交流调压3晶闸管逆变器晶闸管逆变器